DE19836562A1 - Pneumatische Endlagendämpfung - Google Patents

Abstract

Pneumatische Endlagendämpfung dient zur Reduzierung des Ankerprellens und DOLLAR A einen Anker (1) aufweist, der innerhalb einer mit Gas (G) gefüllten Gehäusekammer (2) verschiebbar angeordnet ist und der die Gehäusekammer (2) in eine obere Kammer (21) und eine untere Kammer (22) aufteilt, DOLLAR A wobei durch Verschiebung des Ankers (1) der Druck des Gases (G) in der oberen Kammer (21) und der unteren Kammer (22) gegenläufig veränderbar ist, wodurch die Geschwindigkeit des Ankers (1) verringerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, eine Verwendung der­ selben und ein Verfahren zur Dämpfung einer Endlage eines An­ kers.

Einlaßventil und Auslaßventil eines Verbrennungsmotors werden üblicherweise über Nocken oder Stößel mechanisch zwangsge­ steuert. Der Öffnungsbeginn und der Öffnungshubverlauf sind durch die jeweilige Nockenkontur und Phasenlage der Nocken­ welle in Bezug auf die Kurbelwelle fest vorgegeben und können im Betrieb - mit Ausnahme einiger neuerer Entwicklungen wie der hydraulischen Nockenwellenverstellung - im allgemeinen nicht verändert werden.

Zur Verbreiterung des Drehmomentbandes und zur Entdrosselung des Ansaugtraktes ist eine von der Phasenlage der Kurbelwelle unabhängige Steuerung des Ein- bzw. Auslaßzeitpunktes sowie der Öffnungsdauer wünschenswert. Prinzipiell läßt sich dies mit Hilfe eines kennfeldgesteuerten elektromagnetischen Ven­ tilantriebs erreichen. Eines der in diesem Zusammenhang zu lösenden Probleme besteht in der Endlagendämpfung des Ventil­ ankers auf eine Geschwindigkeit von weniger als 0,05 m/s.

Bisher wird die Aufsetzgeschwindigkeit des Ankers durch eine Absenkung des Erregerstroms kurz vor dem Aufsetzen des Ankers auf einen Wert um 1 m/s verringert. Dies ist aber im Hinblick auf eine zu erreichende Geräuschemission und einen wünschens­ wert geringen Verschleiß immer noch zu hoch.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglich­ keit zur Endlagendämpfung auf Geschwindigkeiten von kleiner als 0,05 m/s bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 15 gelöst.

Die Idee der Erfindung basiert darauf, eine pneumatische End­ lagendämpfung einzuführen. Dazu wird ein Anker - wie ein Kol­ ben - in einer mit Gas gefüllten Gehäusekammer verschiebbar angeordnet. Das Gas kann entweder ein reines Gas oder ein Gasgemisch, bevorzugterweise Luft, sein. Durch den Anker wird die Gehäusekammer in eine obere und eine untere Kammer aufgeteilt. Bei einer Verschiebung des Ankers in eine Rich­ tung, beispielsweise in Richtung der oberen Kammer, wird das Volumen einer Kammer verringert, hier der oberen Kammer, und entsprechend das Volumen der jeweils anderen Kammer vergrö­ ßert. Dadurch werden die in den jeweiligen Kammern einge­ schlossenen Gasmengen wechselseitig komprimiert und expan­ diert. Dies führt zu einer Gegenkraft auf den Anker, die die­ sen vor dem Erreichen seiner Endlage nahezu vollständig ab­ bremst.

Zur Vermeidung eines oszillatorischen Verhaltens des Ankers in der Endlage wird die pneumatische Endlagendämpfung vor­ teilhafterweise durch ein definiertes Entweichen bzw. Über­ strömen des komprimierten Gases aperiodisch abgestimmt. Zur Abstimmung der Endlagendämpfung kann auch ein definiertes Restvolumen der oberen bzw. der unteren Kammer vorgesehen sein.

Das definierte Entweichen bzw. Überströmen des Gases aus den Kammern kann beispielsweise durch einen Ringspalt zwischen Gehäuse und Anker realisiert werden, über den das Gas zwi­ schen oberer Kammer und unterer Kammer austauschbar ist. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung gedrosselter Verbindungsleitungen, entweder zwischen den Kammern oder zwi­ schen den Kammern und dem Außenraum.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die pneumatische Endlagendämpfung schematisch näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine pneumatische Endlagendämpfung bei einem Einsatz in einem Ventilsystem,

Fig. 2 zeigt das Wirkprinzip pneumatischen Endlagendämpfung,

Fig. 3 zeigt den Druckverlauf in Abhängigkeit der Verschiebung des Ankers einer pneumatischen Endlagendämpfung nach Fig. 2,

Fig. 4 zeigt mehrere Möglichkeiten der Gassteuerung einer pneumatischen Endlagendämpfung.

Fig. 1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht den Aufbau eines elektromagnetischen Ventilantriebs unter Verwen­ dung einer pneumatischen Endlagendämpfung.

In einem Gehäuse 20 ist eine Gehäusekammer 2 eingelassen, die mit einem Gas G gefüllt ist. Der Anker 1 wird durch einen zentriert durch das Gehäuse geführten Stößel 8 geführt. Die dem Anker 1 gegenüberliegende Fläche der oberen Kammer 21 wird als obere Polplatte 3 bezeichnet, entsprechend wird die dem Anker 1 gegenüberliegende Fläche der unteren Kammer 22 als untere Polplatte 4 bezeichnet. Durch im Gehäuse 20 ange­ ordnete Feldspulen 11 und dem Gehäuse 20 wird ein Elektromag­ net gebildet. Das Gehäuse 20 wird extern gehalten.

Zur mechanischen Rückstellung und zur Definition der Neu­ tralposition des Ankers 1 in der Mitte zwischen den beiden Polplatten 3, 4 befinden sich oberhalb und am unteren Teil 82 des Stößels 8 Druckfedern 12. Die am oberen Teil 81 des Stößels 8 angebrachte Druckfeder 12 wird extern gehalten, und zwar am gleichen Bauteil wie das Gehäuse 20, z. B. einem Rah­ men (ohne Abbildung). Ein am unteren Teil 82 des Stößels 8 ange­ brachter Hydrostößel 13 dient dem Ausgleich thermischer Län­ genänderungen.

Beim Starten des Ventilantriebs wird dieser zunächst durch eine entsprechende Bestromung von Feldspulen 11 harmonisch angeregt, bis der Anker 1 eine der Polplatten 3, 4 berührt. Hierdurch wird das Ventil in eine definierte Stellung (geschlossen oder offen) gebracht. Durch eine wechselseitige Bestromung der Feldspulen 11 kann der Anker 1 zwischen einer Position an der oberen Polplatte 3 und der unteren Polplatte 4 geschaltet werden. Aus energetischen Gründen wird der Hal­ testrom der Feldspulen 11 in einer Endposition des Ankers 1 stark abgesenkt.

Wird nun beispielsweise der Anker 1 nach oben bewegt, so kom­ primiert er das Volumen des Gases G in der oberen Kammer 21 und erhöht dort den Druck. Gleichzeitig wird in der unteren Kammer 22 der Druck erniedrigt. Hauptsächlich durch den er­ höhten Druck in der oberen Kammer 21 wird eine zur Bewegungs­ richtung des Ankers 1 entgegengesetzt gerichtete Kraft auf diesen ausgeübt, die den Anker 1 abbremst.

Das hier dargestellte ungedämpfte Ventilsystem stellt ein schwingfähiges mechanisches System mit der Eigenfrequenz

mit c: Federsteifigkeit von Gasvolumina und Druckfedern 12 und m: träge Masse, dar.

Weil ein Großteil der Bewegungsenergie an den Extremalposi­ tionen des Ankers 1 in Kompressionsarbeit gespeichert ist, erfolgt trägheitsbedingt ein unerwünschtes Zurückprellen, bzw. ein oszillatorisches Verhalten des Ankers 1, welches durch Einführung einer Endlagendämpfung wirksam verhindert werden muß.

Für die Funktion der pneumatischen Endlagendämpfung ist es vorteilhaft, wenn die Dämpfungswirkung erst kurz vor dem Auf­ setzen des Ankers 1 auf den Polplatten 3, 4 einsetzt, dann aber möglichst progressiv. Die angestrebte kurze Schaltzeit des Ventilsystems aus Fig. 1 im Bereich einiger Millisekun­ den wäre bei einer global wirkenden Dämpfung, wie sie durch Füllen der oberen Kammer 21 und unteren Kammer 22 mit bei­ spielsweise einem Öl wirksam würde, nicht erreichbar.

Allgemein wird bei einem gedämpften System von Federn und Massen in Abhängigkeit vom Dämpfungsparameter zwischen den Grenzfällen einer unterkritischen, aperiodischen und überkri­ tischen Dämpfung unterschieden. Für das hier dargestellte Ventilsystem wird die pneumatische Endlagendämpfung bevorzugt aperiodisch abgestimmt, was sich durch eine definierte Un­ dichtigkeit realisieren läßt, durch die das komprimierte Gas G entweichen kann.

Bei einem Druckunterschied zwischen der oberen Kammer 21 und der unteren Kammer 22 wird dies mittels eines Ringspaltes 5 erreicht, durch den Gas G zwischen den Kammern 21, 22 ent­ sprechend dem Druckgefälle ausgetauscht wird. Dadurch wird die Schwingung des Ankers 1 aperiodisch gedämpft, so daß keine unerwünschten Schwingungen im Endlagenbereich auftre­ ten.

Durch die Bewegung des Ankers 1 wird über den unteren Teil 82 des Stößels 8 die Position eines Dichtelementes 15 auf einer Mündung des Ventils gesteuert, beispielsweise zur Steuerung eines Einlaß- oder Auslaßventils eines Verbrennungsmotors. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf einen Anwen­ dungsbereich eingeschränkt. So kann sie auch in einem Fluid- Einspritzer verwendet werden.

Es ist aus Gründen des Einbaus eines Bauteils vorteilhaft, wenn die Grundfläche des Ankers 1 rechteckig ist. Es kann aber auch eine quadratische, ovale oder rund Grundfläche ver­ wendet werden.

Fig. 2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht das Wirkprinzip der pneumatischen Endlagendämpfung ohne Gasaus­ gleich, aber mit optionalem Restvolumen VR. Der Anker 1 liegt auf der unteren Polplatte 4 auf. Das in der unteren Kammer 22 verbliebene Gas G ist auf ein Restvolumen VR begrenzt, bei­ spielsweise durch Bildung einer Aussparung an der unteren Kammer 22. Der Abstand des Ankers 1 von der oberen Polplatte 3 entspricht der Kammerhöhe h. Die druckwirksame Fläche des Ankers 1 wird mit A bezeichnet, sie entspricht der Grundflä­ che des Ankers 1 abzüglich der vom oberen Teil 81 des Stößels 8 verwendeten Teilfläche. Auch an der oberen Kammer ist op­ tional eine Aussparung mit dem Volumen VR eingebracht. Der Druck in der oberen Kammer 21, die zusammengepreßt wird, wird mit P+ bezeichnet, wobei x den Verschiebeweg des Ankers 1 be­ zeichnet. Analog wird mit P- der Druck in der unteren Kammer 22 bezeichnet.

Im Betrieb wird der Anker bei der Bewegung von der unteren Polplatte 4 zur oberen Polplatte 3 den Bereich 0 ≦ x ≦ h durchlaufen.

Der Druck P+ bzw. P- in der oberen Kammer 21 bzw. in der un­ teren Kammer 22 läßt sich in Abhängigkeit von x beschreiben als

mit P0: Ausgangsdruck des Gases G in der Gehäusekammer 2 und A: druckbeaufschlagte Fläche des Ankers 1 in einer Kammer 21, 22. P+ in obiger Gleichung beschreibt den Druckanstieg in der oberen Kammer 21 bei adiabatischer Kompression, P- die Druckerniedrigung in der unteren Kammer 22 bei Expan­ sion.

In Fig. 3a ist der Druck P+ in der oberen Kammer 21 in Ab­ hängigkeit vom Verschiebeweg x aufgetragen. Bei fehlendem Restvolumen, VR = 0, erkennt man einen sehr starken Druckan­ stieg von P+ mit steigendem x. Bei VR < 0 ergibt sich immer noch ein Druckanstieg, der bei x = h endlich ist.

Fig. 3b zeigt analog zur Fig. 3a den Druckabfall von P- in der unteren Kammer 22 in Abhängigkeit vom Verschiebeweg x. Man erkennt den stärkeren Druckabfall bei fehlendem Restvolu­ men VR im Vergleich zu einer Ausführung mit einem endlichen Restvolumen.

Den Fig. 3a und 3b ist deutlich zu entnehmen, daß der Bei­ trag der Druckabsenkung von P- gegenüber dem Beitrag der Druckerhöhung von P+ vernachlässigbar ist. Zur Begrenzung des Druckanstiegs kann ein Restvolumen VR sinnvoll sein.

Fig. 4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht mehrere Möglichkeiten eines Transports des Gases G aus der oberen Kammer 21 bzw. unteren Kammer 21 zur Dämpfung des Ankers 1.

Zur Ankerdämpfung gibt es u. a. die folgenden Möglichkeiten:

• a) Der Anker 1 wird im Gehäuse 20 so geführt, daß zwischen Gehäuse 20 und Anker 1 ein Ringspalt 5 verbleibt, über den ein Austausch von Gas G zwischen der oberen Kammer 21 und der unteren Kammer 22 möglich ist. Der Stößel 8 läuft dabei im Gehäuse 20 gedichtet. Für den Fall, daß eine Bildung eines Ringspalts 5 verhindert werden soll, ist die Anbringung einer Dichtung am äußeren Umfang des Ankers 1 vorteilhaft.
• b) Der Anker 1 wird an seinem Umfang gedichtet geführt. Ein Austausch von Gas G zwischen oberer Kammer 21 und unterer Kammer 22 wird durch mindestens eine im Anker 1 angebrachte Drosselstrecke 6 oder durch eine im Gehäuse 20 angebrachte Drosselstrecke 7 ermöglicht. Der Stößel 8 läuft im Gehäuse 20 gedichtet.
• c) Der Anker 1 wird an seinem Umfang gedichtet geführt. Ein Austausch von Gas G zwischen der oberen Kammer 21 und der unteren Kammer 22 wird durch mindestens eine Drosselstrecke 10 ermöglicht, welche die jeweilige Kammer 21, 22 mit dem Außenraum verbindet. Der Außenraum ist beispielsweise mit Luft unter Atmosphärendruck gefüllt. Der Stößel 8 läuft im Gehäuse 20 gedichtet.
• d) Der Anker 1 wird an seinem Umfang gedichtet geführt. Der Austausch von Gas G zwischen der oberen Kammer 21 bzw. der unteren Kammer 22 und dem Außenraum erfolgt durch eine gedrosselte Strecke 9 längs der Führung des Stößels 8 im Ge­ häuse 20.

Eine beliebige Kombination der unter (a)-(d) aufgeführten Möglichkeiten, auch in mehrfacher Weise.

Claims (20)

1. Pneumatische Endlagendämpfung, aufweisend
einen Anker (1), der innerhalb einer mit Gas (G) gefüllten Gehäusekammer (2) verschiebbar angeordnet ist und der die Ge­ häusekammer (2) in eine obere Kammer (21) und eine untere Kammer (22) aufteilt,
wobei durch Verschiebung des Ankers (1) der Druck des Gases (G) in der oberen Kammer (21) und der unteren Kammer (22) gegenläufig veränderbar ist, wodurch die Geschwindigkeit des Ankers (1) verringerbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der bei einem Aufsetzen des Ankers (1) auf eine obere Polplatte (3) oder eine untere Polplatte (4) ein Restvolumen (VR) der entsprechenden Kammer (21, 22) verbleibt.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Gas (G) gedrosselt zwischen der oberen Kammer (21) und der unteren Kammer (22) austauschbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der ein gedrosselter Austausch von Gas (G) mittels eines Ringspaltes (5) zwischen dem Gehäuse (20) und dem Anker (1), oder mittels mindestens einer Verbindungsleitung (6, 7) durch das Gehäuse (20) oder durch den Anker (1) oder mittels einer beliebigen Kombination dieser Maßnahmen realisiert ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Gas (G) gedrosselt zwischen einem Außenraum und ent­ weder der oberen Kammer (21) oder der unteren Kammer (22) oder beiden austauschbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der ein gedrosselter Austausch von Gas (G) mittels min­ destens einer entweder durch das Gehäuse (20) geführten ge­ drosselten Verbindungsleitung (10) oder mittels mindestens einer gedrosselten Verbindungsleitung (9) entlang einer Pas­ sung zwischen dem Gehäuse (20) und einem im Gehäuse (20) ge­ führten Stößel (8, 81, 82) oder mittels beider dieser Maßnahmen realisiert ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Anker (1) mit dem Stößel (8, 81, 82) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Anker (1) und die Gehäusekammer (2) axialsym­ metrisch ausgeführt sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Anker (1) und die Gehäusekammer (20) rechteckig ausge­ führt sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mittels des Stößels (8, 81, 82) ein Öffnen und Schließen eines Ventils steuerbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Anker (1) mittels einer Betätigung mindestens einer Feld­ spule (11) bewegbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei der

• 1. mittels eines Hubs des Stößels (8, 81, 82) die Position eines Dichtelementes (15) auf einer Mündung des Ventils steuerbar ist,
• 2. der Hub des Stößel (8, 81, 82) mittels mindestens einer Druckfeder (12) dämpfbar ist,
• 3. durch die Position des Dichtelementes (15) eine Abgabe von Fluid steuerbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der ein Hydrostößels (13) zum Ausgleich einer thermischen Längenänderung am Stößel (8, 81, 82) angebracht ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Betrieb eines Einlaßventils oder Auslaßventils eines Verbrennungsmotors.

15. Verfahren zur pneumatischen Endlagendämpfung, bei dem

• 1. durch einen Anker (1) eine mit einem Gas (G) gefüllte Ge­ häusekammer (2) in eine obere Kammer (21) und eine untere Kammer (22) aufgeteilt wird,
• 2. durch die Verschiebung des Ankers (1) in der Gehäusekammer (2) der Druck des Gases (G) in der oberen Kammer (21) und der unteren Kammer (22) gegenläufig verändert wird,
• 3. so daß durch die Druckänderung eine Verringerung der Ge­ schwindigkeit des Ankers (1) bewirkt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem dann, wenn bei der Ankers (1) auf eine obere Polplatte (3) oder eine untere Polplatte (4) aufsetzt, ein Restvolumen (VR) in der entsprechenden Kammer (21, 22) verbleibt.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der Druck (P+) des Gases (G) in der komprimierten Kammer (21, 22) und der Druck (P-) des Gases (G) in der expandierten Kammer (21, 22) im wesentlich über die Beziehung
bestimmt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem das Gas (G) aus der unteren Kammer (21) und der oberen Kammer (22) gedrosselt so zugeführt und abgeführt wird, daß die Be­ wegung des Ankers (1) aperiodisch gedämpft wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem der Anker (1) mit einer Geschwindigkeit von weniger als 0,05 m/s auf einer Polplatte (3, 4) aufsetzt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem durch die Bewegung des Stößels (8, 81, 82) ein Öffnen und Schließen eines Ventils gesteuert wird.